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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und entsprechende Vorrichtung zur Verteilung von Regelleistung in einem Verbund aus technischen Einheiten zur Energieerzeugung und ein Leitsystem.
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Um mehr Versorgungssicherheit zu erlangen, werden häufig verschiedene Energieerzeugungsanlagen wie herkömmliche Kohle- oder Heizkraftwerke oder auch erneuerbare Energiequellen zu einem Verbund oder Pool von technischen Einheiten zusammengefasst. Das Bereitstellen und Liefern von gemeinsamer Kraftwerksleistung eröffnet den Pool-Teilnehmern unter anderem auch neue Erlösquellen, indem freie Kapazitäten innerhalb des Pools zum Bereitstellen von Regelleistung genutzt und vermarktet werden, um einen Beitrag zur Netzfrequenzstabilität zu leisten.
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Regelleistung wird immer dann angefordert, wenn die Normalfrequenz von 50 Hz in einem der Übertragungsnetze aufgrund von Lastschwankungen nicht gehalten werden kann. Dabei unterscheidet man drei Arten der Regelleistung: Primärregelleistung (auch Primärreserve genannt), Sekundärregelleistung (auch Sekundärreserve genannt) und Tertiärregelleistung (Minutenreserve). Der wesentliche Unterschied ist dabei die Geschwindigkeit, in der die jeweilige Leistung geliefert wird. Die Bereitstellungszeit bei der Primärregelleistung beträgt 30 Sekunden, bei der Sekundärregelleistung 5 Minuten und bei der Tertiärregelleistung 15 Minuten.
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Im Gegensatz zur Primärregelleistung wird die Sekundärregelleistung (abgekürzt SRL) nicht gemeinsam im europäischen Verbund bereitgestellt, sondern separat von jedem Übertragungsnetzbetreiber (abgekürzt ÜNB). Die Übertragungsnetzbetreiber sind zum gegenseitigen Austausch von aktuellen Informationen verpflichtet, um ein koordiniertes Zusammenwirken gegen Netzschwankungen zu ermöglichen. Die Einsatzreihenfolge der Kraftwerke zur Bereitstellung der Sekundärregelleistung wird durch ein Auktionsverfahren festgelegt und über eine gemeinsame Internetplattform der Übertragungsnetzbetreiber ausgetragen. Demnach erstellen die Pool-Betreiber nach Abschluss des Auktionsverfahrens der Übertragungsnetzbetreiber in Abhängigkeit der Kosten der Stromerzeugung eine sogenannte „Merit-Order-Liste“ (MOL). In der Merit-Order-Liste werden die Aktivierungsreihenfolgen und Kapazitäten der einzelnen Stromerzeugungseinheiten vorgegeben. Anhand der Merit-Order-Liste werden anschließend, bei einem Abruf der Sekundärreserve, die beteiligten Anlagen nacheinander abgerufen. Dabei müssen Anforderungen an die Sicherheit der Datenübertragung der Kommunikationsverbindungen und der Redundanz erfüllt werden. Auch eine Überwachung der einzelnen Pool-Teilnehmer bezüglich Verfügbarkeit und Leistungserbringung gemäß deren Qualifizierung gegenüber dem Übertragungsnetzbetreiber muss gewährleistet sein.
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Bisher wurden diese Anforderungen bei der Sekundärregelleistungsbereitstellung und -verteilung durch den Einsatz von projektierten Standard-Funktionsbausteinen eines hochverfügbaren Leitsystems erreicht. Allerdings konnte mit den bisher vorhandenen Komponenten eines hochverfügbaren Leitsystems jedoch die notwendige Flexibilität und Dynamik bezüglich der sich verändernden Merit-Order-Liste nicht erreicht werden. Die Steuerungen mussten mit einer Logik bestehend aus tausenden von Funktionsbausteinen erstellt werden und die „statisch“ angelegten Programmierungen und Verschaltungen mussten bei jeder Änderung der Merit-Order-Liste umprogrammiert oder angepasst werden. Insbesondere fehlten auch Funktionen zur Listen- und Schleifenverarbeitung.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und entsprechende Vorrichtung anzugeben, mittels welcher in einem Verbund aus Energieerzeugungsanlagen die Dynamik und Flexibilität bei der Bereitstellung von Regelleistung verbessert werden kann. Insbesondere sollen Änderungen der Daten in der Merit-Order-Liste in der Leittechnik einer Energieerzeugungsanlage leichter umsetzbar sein.
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Dieses Problem wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Liste, die so genannte Merit-Order-Liste, in eine Recheneinheit eines Leitsystems eines Verbunds aus technischen Einheiten zur Energieerzeugung eingelesen. Die Liste gibt eine potentielle Reihenfolge des Einsatzes der technischen Einheiten zur Bereitstellung von Regelleistung und maximal lieferbare Leistungssollwerte der technischen Einheiten vor. Nach Vorgabe der Liste werden anschließend in der Recheneinheit Berechnungsvorschriften für die Reihenfolge des Einsatzes der technischen Einheiten zur Bereitstellung der Regelleistung und die maximal lieferbaren Leistungssollwerte der technischen Einheiten aktualisiert. Bei Anforderung von Regelleistung von einem Übertragungsnetzbetreiber werden die Berechnungsvorschriften ausgeführt und ferner eine aktuelle Verteilung der Regelleistung auf die technischen Einheiten ermittelt und die derart ermittelten Sollwerte der Regelleistung an die technischen Einheiten weitergegeben.
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Der Vorteil der hier vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass nun durch Einsatz einer Regelleistungs-Verteil- und Überwachungs-Recheneinheit die vorhandenen Eigenschaften eines hochverfügbaren Leitsystems mit der Flexibilität einer frei programmierbaren Recheneinheit verbunden werden. In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die erfindungsgemäße Recheneinheit als Funktionsbaustein gemäß der internationalen Norm IEC 61499 realisiert werden und somit einfach in bestehende industrielle Leitsysteme integriert werden. Auch eine Realisierung in Form eines Mikrocontrollers oder Mikroprozessors ist möglich, wobei eine Realisierung als Softwarekomponente bevorzugt wird. Durch Einbettung in ein bestehendes Leitsystem werden die Anforderungen sowohl an die Verfügbarkeit als auch an die Flexibilität bestens gelöst. Durch die flexible Programmierung der Recheneinheit oder des Funktionsbausteins auf der Basis der Vorgaben der Merit-Order-Liste wird vorteilhaft die Dynamik der sich ändernden Randbedingungen in das statische Engineering des Leitsystems eingebracht. Die Berechnungsvorschriften, d.h. die Art der Abarbeitung von Befehlen in der Recheneinheit wurde einmalig zuvor festgelegt. Die notwendigen Verschaltungen nach Vorgabe der Merit-Order-Liste sind auf diese Weise festgelegt und brauchen nach Einlesen der Merit-Order-Liste nur noch aktualisiert werden. Dabei handelt es sich um entsprechende Parameter für die Reihenfolge des Einsatzes der technischen Einheiten zur Bereitstellung der Regelleistung und die maximal lieferbare Leistungssollwerte der technischen Einheiten.
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In einer weiteren Ausführungsvariante werden nach der Aktualisierung der Berechnungsvorschriften Verfügbarkeiten und aktuelle Zustände der technischen Einheiten berücksichtigt. Bei Ausfall (Nichtverfügbarkeit) von technischen Einheiten wird dann die zuvor ermittelte Verteilung durch eine neu ermittelte Verteilung der Regelleistung auf die technischen Einheiten ersetzt. Dadurch werden die Sicherheitsanforderungen weiter erhöht. Die Aktualisierung der zuvor festgelegten Verschaltungen kann nun so durchgeführt werden, dass Fehleinschätzungen vermieden werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante erfolgt die Ausführung der Berechnungsvorschriften in Echtzeit. Damit sind zumindest ein Rechenzyklus des Leitsystems oder nur wenige Zyklen des Leitsystems gemeint. Gegenüber dem sehr aufwendigen Engineering-Prozess bei früher statischen Lösungen, in welchen zumeist händisch Änderungen bei der Vorgabe der Aktivierungsreihenfolge der technischen Einheiten in die Steuerungen eingearbeitet werden mussten, ist die Abarbeitung von Änderungen der Merit-Order-Liste mittels der erfindungsgemäßen Recheneinheit in Echtzeit ein ganz besonderer Vorteil der gesamten Erfindung.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der erfindungsgemäße Regelleistungs- und Überwachungsbaustein innerhalb eines redundant ausgelegten Leitsystems auf einer redundant ausgelegten Steuerung ablaufen. Dies bedeutet, dass die Erfindungsgemäße Recheneinheit dann sowohl auf einer Mastereinheit oder einem Masterserver, als auch auf einer Slaveeinheit oder einem Slaveserver implementiert ist. Der besondere Vorteil dabei liegt darin, dass Regelleistung zum Abruf immer verfügbar ist, weil die erfindungsgemäße Recheneinheit die Infrastruktur des hochverfügbaren Leitsystems mit seinen zumindest doppelt ausgeführten Kommunikationsverbindungen und Servern nutzt.
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In einer weiteren Ausführungsform werden alle Daten, die bei der Abarbeitung der Merit-Order-Liste und der Ausführung der Berechnungsvorschriften der erfindungsgemäßen Recheneinheit anfallen, in ein Archiv des Leitsystems geschrieben und können so im Anschluss für Berichterstattungen und Abrechnungen verwendet werden. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass ohnehin anfallende Daten auf diese Weise einfach für weitere Zwecke genutzt werden können, ohne dass sie extra und aufwändig generiert werden müssen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform können beliebige Zusatzfunktionen im Rahmen der Bereitstellung der Regelleistung oder im Rahmen der Automatisierung durch Verschaltung der erfindungsgemäßen Recheneinheit mit weiteren Funktionsbausteinen, insbesondere mit Standard-Funktionsbausteinen gemäß der internationalen Norm IEC 61499 realisiert werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass sich im gesamten Text der Begriff des „Funktionsbausteins“ oder „“Bausteins“ oder „Regelbausteins“ auf die genannte Norm bezieht, welche für alle industrielle Leitsysteme anwendbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme der Figuren näher beschrieben und erläutert.
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Darin zeigen:
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1 eine Skizze zur Verdeutlichung eines Systems zur Verteilung von Regelleistung, angeordnet in einer Leittechnik in einem Verbund aus technischen Ener gieerzeugungs-Einheiten
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2 ein Beispiel einer Merit-Order-Liste.
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für ein System zur Bereitstellung und Verteilung von Regelleistung. Dabei ist die Erfindung nicht auf das in der Figur gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Die Automatisierungsfunktion zur Bereitstellung, Überwachung und Verteilung von Regelleistung SRLF kann beispielsweise in Form eines oder mehrerer Funktionsbausteine ausgeführt sein (Funktionsbausteintechnik gemäß der internationalen Norm IEC 61499) welche in einem Server zum Ablauf kommen. In der Skizze in 1 ist hierfür ein so genannter Automatisierungsserver CS3000 angedeutet, wobei es sich hierbei beispielsweise um eine beliebige Recheneinheit wie einen Industrie-PC oder eine programmierbare Steuerung handeln kann.
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Grundsätzlich kann die Automatisierungsfunktion zur Bereitstellung, Überwachung und Verteilung von Regelleistung SRLF In Form eines speziell programmierten Funktionsbausteins auf zwei Arten eingesetzt werden: auf einem Server eines bereits bestehenden Leitsystems L einer technischen Einheit zu Energieerzeugung oder als „Stand-Alone-Lösung“, d.h. in einem eigenen Leitsystem, welches nur die Funktion der Verteilung der Regelleistung übernimmt und an den Pool aus technischen Einheiten zur Energieerzeugung angeschlossen ist.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist die erfindungsgemäße Funktion SRLF im Leitsystem L einer technischen Anlage TE0 untergebracht. Eine Ausführungsvariante, in welcher die Funktion SRLF nicht auf dem Automatisierungsserver CS3000, sondern auf einem anderen Server des Leitsystems L, beispielsweise dem Applikationsserver AS untergebracht ist, ist ebenfalls denkbar.
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Die Anlage TE0 aus 1 wiederum gehört zu einem Pool aus einer Vielzahl N von technischen Einheiten TE0, TE1, TE2 ... TEN zur Energieerzeugung. Bei den in 1 dargestellten technischen Einheiten TEi eines Kraftwerks-Pools kann es sich demnach um Gas- und Dampfturbinenanlagen sowie Blockheizkraftwerke, Speicher, Industriekraftwerke, Müllheizkraftwerke und Biogasanlagen handeln. Bei einem solchen Pool werden alle Teilnehmer üblicherweise zu einem so genannten „virtuellen Kraftwerk“ zusammengefasst.
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In diesem Ausführungsbeispiel dient das in der technischen Einheit TE0 installierte Leitsystem L als zentrale Steuerung des virtuellen Kraftwerks. Das Leitsystem L erhält seine Vorgaben für die Einstellung der Leistungsabgabe der einzelnen Teilnehmer vom Übertragungsnetzbetreiber ÜNB, welche in 1 über eine redundant ausgelegte Kommunikationsverbindung zum Beispiel gemäß der internationalen Norm IEC 60870 mit dem Automatisierungsserver CS3000 verbunden ist.
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Der Regelleistungs-Verteil- und Überwachungsbaustein läuft hier innerhalb des bestehenden Leitsystems L auf einer redundant ausgelegten Steuerung CS3000 ab. Aus Gründen der Redundanz ist hinter der Einheit CS3000, die als Master-Einheit fungieren soll, eine zweite Einheit CS3000‘ als Slave-Einheit angedeutet. Von beiden Einheiten gehen redundant ausgelegte Kommunikationsverbindungen zu dem Automatisierungsbussystem AB, zum Übertragungsnetzbetreiber ÜNB und zu den weiteren technischen Einheiten des Pools TE1 bis TEN ab. Die genannten Anbindungen erfolgen mit Mitteln des Leitsystems. Die Anbindung beinhaltet die gesamte Kommunikationsprojektierung für die verwendeten Fernwirkprotokolle (hier IEC 60870-5-101 und 104) und der notwendigen analogen und binären Ein- und Ausgangssignale. Die Funktion zur Bereitstellung, Überwachung und Verteilung von Regelleistung SRLF nutzt so die vorhandene „Infrastruktur“ der Redundanz des Leitsystems samt seiner gesamten Projektierung. Es sind keine zusätzlichen technischen Mittel notwendig, um eine Hochverfügbarkeit der Funktion zu erreichen. Dies bedeutet, dass die Anforderungen seitens des Übertragungsnetzbetreibers ÜNB in Bezug auf Verfügbarkeit durch die Eigenschaften des hochverfügbaren Leitsystems erreicht werden.
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Um bedarfsgerecht unter Ausnutzung der jeweiligen Strompreise effizient die Regelleistung bereitstellen zu können, ist eine kontinuierliche Übermittlung der Vermarktungsdaten, Preise und Nachfrage notwendig. Daher ist das Leitsystem L an ein Vermarktungs- und Dispositionsmodul VDM angeschlossen, von welchem aus die Merit-Order-Liste MOL an einen Server des Leitsystems L übermittelt wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist hierfür ein so genannter Applikationsserver AS, welcher einem zentralen Leitrechner entspricht, vorgesehen. Dieser ist über ein Bussystem AB mit dem Automatisierungsserver CS3000 und über ein weiteres Bussystem KB mit der Benutzerschicht verbunden.
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In 2 ist ein Beispiel einer Merit-Order-Liste MOL gezeigt. Die Merit-Order-Liste entspricht hier einer speziell unterteilten und strukturierten Text-Datei im csv-Format. In ihr wird die Einsatzreihenfolge zur Verfügung stehender Energieerzeugungseinheiteneinheiten (hier TE0 bis TEN) festgelegt. In 2 ist beispielhaft der Daten-Teil der Merit-Order-Liste MOL gezeigt. Die Merit-Order-Liste enthält pro Zeitscheibe Niedertarif (NT) bzw. Hochtarif (HT) täglich neu disponierte Leistungsdaten der technischen Einheiten, bezüglich des Produktes positiver oder negativer Regelleistung, verfügbarer Leistung für das Produkt, Reserveleistung zur internen Absicherung, Arbeitspreise in Euro pro MWh aus der Vermarktung, minimale Aktivierungsmenge der technischen Einheit in MW sowie weitere technische Daten.
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In 2 sind zeilenweise die Produkte, Poolpartner und andere Informationen im Hinblick auf die Sekundärregelleistung aufgeführt. Das Produkt „NEG_NT_00_24“ beispielsweise entspricht einer negativen Regelleistung zum Niedertarif-Strompreis in einer Zeit zwischen 0 und 24 Uhr. Dem Produkt-Namen folgen – jeweils durch Semikolon getrennt – weitere für die Einsatzreihenfolge notwendige Informationen. In der 4. Zeile von 2 ist demnach hinter dem Produkt der Poolpartner GT1 genannt (Gasturbine 1), welche max. 7 MW liefern kann, wovon 3 MW als Reserve-Leistung zur Verfügung stehen. Der minimale Aktivierungspreis entspricht hier einem Euro pro MWh. Die weiteren Positionen „Minimal_Working Rate in MW“ und „Block Offer“ (Sekundärleistungsvermarktung) sind hier mit 0 belegt.
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Die Liste ist eine Vorgabe der potentiell bereitstehenden Regelleistung eines Kraftwerkpools, die maximal lieferbar ist in einer vorgegebenen Reihenfolge. Sie wird in festgelegten Zeitabständen beispielsweise einmal wöchentlich im Applikationserver AS des Leitsystems hinterlegt, kann allerdings auch plötzlichen Änderungen in kürzeren Zeitabständen unterliegen. Sobald eine neue Version der Liste vorliegt, wird der Regelbaustein SRL-C die Liste entweder automatisch oder auf Befehl vom Applikationserver AS herunterladen und die Daten einlesen. Danach wird im Regelbaustein SRL-C vorsorglich, unter Verwendung der Daten der Merit-Order-Liste eine Berechnungsvorschrift für den Zeitpunkt der Aktivierung der einzelnen technischen Einheiten TEi und deren maximal lieferbaren Leistungssollwerte erzeugt und festgelegt. Dies bedeutet, dass an den Ausgängen des Regelbausteins die für die verschiedenen technischen Einheiten vorgesehenen Leistungssollwerte anliegen. Die Ausgänge des Regelbausteins SRL-C sind mit den Eingängen der Eingangsregelbausteine für die einzelnen technischen Einheiten SRL_UNIT1, SRL_UNIT2, ... SRL_UNITN verbunden. Diese repräsentieren Ansteuerungen für die jeweiligen Poolpartner sind derart ausgelegt, dass sie die Sollwerte für die angeforderte Regelleistung an die jeweilige technische Einheit übermitteln können und weitere Funktionen wie Alarmüberwachung etc. bereit stellen. Mittels weiterer beliebiger Standard-Funktionsbausteinen FBA kann die Funktion SRLF modifiziert werden.
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Auf diese Weise ist im Automatisierungsserver CS3000 eine Automatisierungsfunktion SRLF projektiert, welche in einem ersten Schritt einem statischen Engineering der Kommunikation und der Eigenschaften der technischen Einheiten der Energieerzeugung entspricht. Die einzelnen Verschaltungen sind starr ausgelegt. Eine Aktivierungsreihenfolge mit den maximal lieferbaren Leistungssollwerten bezogen auf jede technische Einheit des Pools ist als Berechnungsvorschrift festgelegt aber noch nicht aktiviert oder ausgeführt, wobei allerdings die jeweils aktuellen Vorgaben der Merit-Order-Liste berücksichtigt sind.
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Erst auf Anforderung des Übertragungsnetzbetreibers ÜNB wird gemäß der Vorgaben der Merit-Order-Liste MOL die Verteilung der angeforderten Regelleistung auf die technischen Einheiten ermittelt. Hierbei wird die von der MOL vorgegebene Aktivierungsreihenfolge beibehalten, aber die Sollwerte der Sekundärregelleistung gemäß der aktuell vorliegenden Situation, d.h. zum Beispiel in Abhängigkeit der Verfügbarkeiten und aktuellen Zustände der einzelnen technischen Einheiten, modifiziert. Kann – bezogen auf das Beispiel der MOL aus 2 – bei insgesamt vom Übertragungsnetzbetreiber ÜNB geforderten 10 MW Sekundärregelleistung die Gasturbine 1 (GT1) beispielsweise nur 4 MW Regelleistung liefern, muss Gasturbine 2 (GT2) aus der nächsten Zeile aktiviert werden (Vorgabe der MOL), um die weiteren 6 MW Regelleistung zu liefern. Kann GT2 nur 3 MW Regelleistung bereitstellen, muss gemäß der MOL der nächste Poolpartner aktiviert werden (hier Gasturbine 3 (GT3)) usw. Die Anpassung der ursprünglichen Vorgaben der MOL wird innerhalb eines Zyklus des Automatisierungssystems (Leitsystems) berechnet und ausgeführt. Somit ist fast eine instantane Ansteuerung der einzelnen technischen Einheiten realisiert. Diese können dann innerhalb der geforderten Sekundärreservezeit von 5 Minuten den Sollwert der geforderten elektrischen Regelleistung bereitstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm IEC 61499 [0009]
- Norm IEC 61499 [0014]
- Norm IEC 61499 [0021]
- Norm IEC 60870 [0025]
- IEC 60870-5-101 und 104 [0026]
